CN104992992A - 一种铁电薄膜太阳能电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铁电薄膜太阳能电池，从下到上依次包括玻璃、ITO导电层、Cr3+掺杂PZT薄膜层、ITO导电层；所述Cr3+掺杂PZT薄膜层设于ITO导电层之间。本发明首次在PZT薄膜层引入摩尔百分比为2%～10%的Cr3+掺杂离子，构成了Cr3+掺杂PZT薄膜本；在较低的退火温度下，得到了具有较高剩余极化的铁电薄膜；相比普通的PZT/ITO结构的铁电薄膜太阳能电池，本发明的剩余极化提高了2-3倍，光电转换效率提高了6倍，取得了较好的效果。
Description
技术领域
本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种包含Cr3+离子掺杂PZT薄膜的铁电薄膜太阳能电池。
背景技术
传统的固态太阳能电池主要有：晶体硅（单晶和多晶）太阳能电池、非晶/微晶硅薄膜太阳能电池和化合物太阳能电池（GaAs，CIGS）。这些固态太阳能电池有正-负极联接——正极半导体层和负电子层之间的联接。这些联接层是光伏效应的关键，当太阳能电池吸收来自太阳的光子时，光子的能量会产生电子-空穴对，这些电子-空穴对在耗尽区内被分开，也就是微小的正-负联接区，然后被收集为电力。然而，这个过程需要光子穿透耗尽区的物质。他们的能量也必须精确地匹配半导体的电子能带隙能量，也就是半导体价带和传导能带之间的差距，导带与价带之间没有电子状态的存在。
传统固态光电器件可以产生的最大电压等于其电子能隙，即使是所谓的串联细胞——其中有一些半导体正-负联结的堆积，其能产生的光电电压也是有限的，因为光穿透的深度是有限的。半导体的光生伏打效应是由宏观不均匀性造成的，产生光伏电压一般不超过半导体的禁带宽度（一般为数伏）。另外，生产晶体硅、GaAs等传统太阳能电池的技术是高能耗、高污染的，因此，导致目前太阳能电池的成本较高，发电价格远远高于火力或水力发电价格。
铁电材料作为一种新型光伏材料，具有成本低、环境友好、制备工艺简单等优点，具有完全不同于半导体的反常光生伏打效应：均匀铁电晶体在均匀光照下出现稳态短路光生电流或开路电压的现象，光伏电压不受晶体禁带宽度(Eg)的限制，可比Eg高2~4个数量级，达103~105 V/cm。正是由于铁电材料的这种超过千伏的输出光电压和将光能转换为电能的性质，使其在光传感器、光驱动器、铁电光伏电池等领域具有重要的应用前景。另外，铁电材料的光吸收区域是整个材料内部，而不仅仅局限于耗尽区，大大增加了光吸收，有利于产生更多的电子-空穴对；材料内部产生的电子-空穴对可以被铁电材料的退极化场分离开来；退极化场的大小与剩余极化的大小成正比。
目前，已在钛酸钡、铌酸锂、钛酸铅、铋铁氧系等铁电材料中发现了光伏效应。传统的铁电薄膜太阳能电池结构为金属电极/铁电薄膜/金属电极结构；在铁电薄膜的上、下两个界面处都存在着金属/薄膜肖特基势垒，该上、下界面肖特基势垒形成的内建电场的方向总是相反的，从而导致总的内建电场的减小；金属电极一般是不透明或者半透明的，使得入射光线不能完全被铁电薄膜吸收，降低发电效率。
锆钛酸铅，简称PZT，固溶体是一种性能优异的功能材料，具有优良的铁电、压电和热释电性能，是目前研究的一个热点。在ITO衬底上旋涂PZT膜的结构，可取代昂贵的Pt衬底作铁电薄膜的性能研究，并大大增加了入射光线的吸收利用。然而，沉积PZT薄膜需要高温退火（一般600度以上），在高温退火的过程中，ITO透明电极将会分解，导致透明性和导电能力大大降低；由于ITO的薄膜中存在大量氧空位（带正电，类似于半导体中的空穴），高温退火时ITO中的部分氧空位将向PZT薄膜内部扩散，这些氧空位作为空间电荷将会部分或完全屏蔽PZT薄膜的自发极化，导致剩余极化大大降低，退极化场减小，从而导致光电转换效率通常较低。
发明内容
本发明目的是提供一种低沉积温度下制备的具有高剩余极化铁电薄膜组成的铁电薄膜太阳能电池，有效提高铁电薄膜太阳能电池的发光效率。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种铁电薄膜太阳能电池，包括基底材料、正负电极以及Cr3+掺杂PZT薄膜；所述Cr3+掺杂PZT薄膜设于正负电极之间；所述Cr3+掺杂PZT薄膜中，Cr3+的摩尔百分比为2%～10%。
上述技术方案中，所述Cr3+掺杂PZT薄膜的厚度为400 nm。既能保证薄膜不漏电，又能测到比较大的光电流；如果薄膜厚度过小，薄膜漏电，测不到光伏电压；如果薄膜厚度太厚，虽然能测到光伏电压，但光伏电流很小，那么电功率就小，不利于应用。
上述技术方案中，所述基底材料为透明玻璃，也可以用其他基底，如Pt/Si；优选为钠钙基或硅硼基透明玻璃。使得入射光线可以高效通过。
上述技术方案中，所述电极为ITO透明电极。可以利用磁控溅射的方法在基底材料上镀一层氧化铟锡（ITO）形成透明层，作为正极；利用磁控溅射在Cr3+掺杂PZT薄膜上制备氧化铟锡透明层，作为负极；光线可以从正极面也可以从负极面射入铁电薄膜。
本发明的铁电薄膜太阳能电池，根据应用时的顺序，从下到上依次包括玻璃基底、ITO透明导电层、Cr3+掺杂PZT薄膜层和ITO透明导电层；所述两层ITO导电层构成铁电薄膜太阳能电池的正负电极结构。
优选的，本发明公开的Cr3+掺杂PZT薄膜中，Cr3+的摩尔百分比为5%。相比于未掺杂PZT薄膜，该铁电薄膜的剩余极化提高了2.8倍，构成的太阳能电池的光伏发电效率提高了6倍，克服了现有技术认为Cr3+掺杂PZT薄膜会导致其剩余极化降低的技术偏见，取得了意想不到的效果。
PZT薄膜中存在三种阳离子，分别是Pb2+、Zr4+、Ti4+，它们的离子半径分别是0.119nm、0.072nm、0.061nm，而Cr3+离子半径为0.062nm。现有技术认为：Cr3+离子掺杂在PZT薄膜中，Cr3+将作为受主离子，取代离子半径差不多大小的Zr4+或Ti4+；由于Cr3+的价态低于Zr4+或Ti4+，在PZT薄膜中将产生空穴（带正电）；这些空穴与PZT薄膜中固有的氧空位一起部分或完全屏蔽PZT薄膜的自发极化，从而导致PZT薄膜的剩余极化大大降低。因此，现有技术认为Cr3+离子掺杂PZT薄膜会导致PZT薄膜的剩余极化大大降低。
在PZT薄膜中，为了获得较高的自发极化，一般用提高退火温度（600度以上）的办法实现。由于ITO不能承受600度以上的高温，因此，在ITO导电层上沉积PZT薄膜，会破坏ITO的透明性和导电能力；另外，ITO的氧空位也会向PZT薄膜内部扩散，从而增加PZT薄膜内部的空间电荷，这些空间电荷将屏蔽自发极化，从而大大降低PZT薄膜的剩余极化。
本发明利用摩尔百分比为2%～10%的Cr3+掺杂PZT薄膜，有效提高PZT薄膜的剩余极化；即使在较低温度退火（520度）下，也能获得较高的剩余极化；同时避免ITO导电层被破坏，也减少ITO导电层中的氧空位向PZT薄膜内部扩散。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
1．本发明首次在PZT薄膜层引入摩尔百分比为2%～10%的Cr3+掺杂离子，构成了Cr3+掺杂PZT薄膜，相比普通的PZT薄膜，本发明的薄膜剩余极化提高了近3倍，构成的太阳能电池光伏发电效率提高了6倍左右；克服了现有技术认为Cr3+离子掺杂PZT薄膜会导致PZT薄膜的剩余极化大大降低的技术偏见。
2．本发明的铁电薄膜太阳能电池结构简单，易于制备，退火温度低，也能获得较高的剩余极化，大大提高了光伏发电效率，取得了意想不到的效果，适于推广应用。
附图说明
图1是实施例以及对比例铁电薄膜的XRD图（20-80度）；
图2是实施例以及对比例铁电薄膜的XRD局部放大图（35-55度）；
图3是实施例以及对比例铁电薄膜太阳能电池的漏电流图；
图4是实施例以及对比例铁电薄膜太阳能电池电滞回线图；
图5是实施例以及对比例铁电薄膜太阳能电池的光电流-电压特性曲线图。
具体实施方式
下面结合附图、实施例以及对比例对本发明作进一步描述：
在ITO/玻璃上用sol-gel法沉积Cr3+掺杂PZT薄膜，薄膜溶胶的制备为：将醋酸铅、钛酸丁酯、锆酸丁酯、铬盐溶解在醋酸和乙二醇甲醚混合液中，形成溶胶。铬盐可以为硝酸铬或醋酸铬；所得的PZT薄膜具有铁电效应。表1为本发明本对比例、实施例的PZT薄膜溶胶原料摩尔配比。
表1 PZT薄膜溶胶原料摩尔配比
| 醋酸铅 | 钛酸丁酯 | 锆酸丁酯 | 硝酸铬 | 醋酸铬 | |
| 实施例一 | 1.08 | 0.79 | 0.2 | 0 | 0.02 |
| 实施例二 | 1.05 | 0.76 | 0.19 | 0 | 0.05 |
| 实施例三 | 0.99 | 0.72 | 0.18 | 0.10 | 0 |
| 对比例一 | 1.1 | 0.8 | 0.2 | 0 | 0 |
| 对比例二 | 1.05 | 0.76 | 0.19 | 0.005 | 0 |
| 对比例三 | 1.09 | 0.79 | 0.2 | 0 | 0.01 |
实施例一
在玻璃上沉积ITO导电层，构成透明的ITO导电玻璃(ITO/玻璃)，其透光率大于85%，表面电阻率为90Ω/□左右；在ITO/玻璃上用sol-gel法沉积400nm厚的Cr3+掺杂浓度为2%的PZT薄膜（铁电薄膜），经过520℃空气下退火，形成多晶Cr3+掺杂的PZT薄膜（PCZT2）；接着，在PCZT2/ITO/玻璃上用磁控溅射ITO导电层，形成ITO/PCZT2/ITO/玻璃结构，即铁电薄膜太阳能电池。
实施例二
在玻璃上沉积ITO导电层，构成ITO导电玻璃，其透光率大于85%，表面电阻率为90Ω/□左右，形成导电透明的导电ITO/玻璃；在ITO/玻璃上用sol-gel法沉积400nm厚的Cr3+掺杂浓度为5%的PZT薄膜，经过520℃空气下退火，形成多晶Cr3+掺杂的PZT薄膜（PCZT5）；接着，在PCZT5/ITO/玻璃上用磁控溅射ITO导电层2，形成ITO/PCZT5/ITO/玻璃结构，即铁电薄膜太阳能电池。
实施例三
在玻璃上沉积ITO导电层1，构成ITO导电玻璃，其透光率大于85%，表面电阻率为90Ω/□左右，形成导电透明的导电ITO/玻璃；在ITO/玻璃上用sol-gel法沉积400nm厚的Cr3+掺杂浓度为10%的PZT薄膜，经过520℃空气下退火，形成多晶Cr3+掺杂的PZT薄膜（PCZT10）；接着，在PCZT10/ITO/玻璃上用磁控溅射ITO导电层2，形成ITO/PCZT10/ITO/玻璃结构，即铁电薄膜太阳能电池。
对比例一
在玻璃上沉积ITO导电层1，构成透明的ITO导电玻璃（ITO/玻璃），其透光率大于85%，表面电阻率为90Ω/□左右；在ITO/玻璃上用sol-gel法沉积400nm厚的PZT薄膜，经过520℃空气下退火，形成多晶的PZT薄膜（PCZT0）；接着，在PCZT0/ITO/玻璃上磁控溅射ITO导电层，形成ITO/PCZT0/ITO/玻璃结构，即铁电薄膜太阳能电池。
对比例二
在玻璃上沉积ITO导电层，构成ITO导电玻璃，其透光率大于85%，表面电阻率为90Ω/□左右，形成导电透明的导电ITO/玻璃；在ITO/玻璃上用sol-gel法沉积400nm厚的Cr3+掺杂浓度为0.5%的PZT薄膜，经过520℃空气下退火，形成多晶Cr3+掺杂的PZT薄膜（PCZT0.5）；接着，在PCZT0.5/ITO/玻璃上用磁控溅射ITO导电层2，形成ITO/PCZT0.5/ITO/玻璃结构，即铁电薄膜太阳能电池。
对比例三
在玻璃上沉积ITO导电层，构成ITO导电玻璃，其透光率大于85%，表面电阻率为90Ω/□左右，形成导电透明的导电ITO/玻璃；在ITO/玻璃上用sol-gel法沉积400nm厚的Cr3+掺杂浓度为1%的PZT薄膜，经过520℃空气下退火，形成多晶Cr3+掺杂的PZT薄膜（PCZT1）；接着，在PCZT1/ITO/玻璃上用磁控溅射ITO导电层2，形成ITO/PCZT1/ITO/玻璃结构，即铁电薄膜太阳能电池。
附图1为上述铁电薄膜的XRD曲线图，可以看出上述PZT薄膜以及Cr3+掺杂PZT薄膜为纯铁电相，没有明显杂相。
根据XRD中的特征峰的位置，计算的PZT薄膜以及Cr3+掺杂PZT薄膜的晶格常数和晶胞体积参数，见表2；可以看出实施例薄膜的晶胞体积比对比例薄膜的晶胞体积要小；对比例三薄膜的晶格参数晶胞体积与PCZT0薄膜的晶胞体积几乎没有差别，说明PZT薄膜中的Cr3+取代不同。
表2 薄膜晶格常数和晶胞体积参数
附图2为局部放大的XRD图，与对比例薄膜相比，实施例薄膜的（200）和（002）特征峰的之间的距离变小，说明随着Cr3+掺杂离子浓度的提高，PCZT薄膜有从四方相向立方相转变的趋势。
附图3为PZT薄膜以及Cr3+掺杂PZT薄膜的漏电流，实施例的PZT薄膜的漏电流比对比例的薄膜的漏电流要小，说明本发明的产品中Cr3+作为施主离子，产生的电子中和（或补偿）了氧空位，使得空间电荷减少；同时PCZT1薄膜、PCZT0.5薄膜的漏电流比PCZT0薄膜的漏电流要大很多，特别是掺杂1%的漏电流最大；说明对比例二、三中Cr3+作为受主离子产生了多余的空穴，使得空间电荷增加。
附图4为电池样品测试的电滞回线，表现为铁电材料典型的电滞回线；可以看出对比例一样品的剩余极化为43.8μC/cm2，实施例一、实施例二、实施例三样品的剩余极化为102.1μC/cm2、124.4μC/cm2、98.8μC/cm2；分别比对比例一中的样品提高了2.3倍、2.8倍、2.2倍，主要是由于部分被空间电荷屏蔽的自发极化得到释放；同时可以看出对比例二、对比例三样品的剩余极化为32.8μC/cm2、28.6μC/cm2，比对比例一中的样品要低，主要是由于部分自发极化被空间电荷屏蔽，而且1%的掺杂结果较0.5%的掺杂更低，与现有技术的认知一致。
在AM1.5光照射下，光从ITO导电层1（玻璃这一侧）入射，测试铁电薄膜太阳能电池的光电流-电压曲线（见附图5），可以看出对比例一产品短路电流和开路电压分别为0.011mA/cm2和0.13V，填充因子为0.34，光伏发电效率为0.004%；实施例二产品短路电流和开路电压分别为0.014mA/cm2和0.38V，填充因子为0.45，光伏发电效率为0.024%，光电转换效率比对比例一中的样品提高了6倍。
同样测试了其余产品的光电流-电压性能。实施例一产品短路电流和开路电压分别为0.11mA/cm2和0.32V，填充因子为0.42，光伏发电效率为0.015%，光电转换效率比对比例一中的样品提高了3.8倍；实施例三产品短路电流和开路电压分别为0.013mA/cm2和0.26V，填充因子为0.40，光伏发电效率为0.014%，光电转换效率比对比例一中的样品提高了3.5倍。对比例二产品短路电流和开路电压分别为0.009 mA/cm2和0.10V，填充因子为0.32，光伏发电效率为0.003%；对比例三产品短路电流和开路电压分别为0.01mA/cm2和0.11V，填充因子为0.28，光伏发电效率为0.002%。
由上可见，与对比例一相比，本发明的铁电薄膜具有较高的剩余极化，实施例二的剩余极化提高了2.8倍，构成的太阳能电池的光伏发电效率提高了6倍，克服了现有技术认为Cr3+掺杂PZT薄膜会导致其剩余极化降低的技术偏见，取得了意想不到的效果。
Claims (6)
1.一种铁电薄膜太阳能电池，其特征在于：所述铁电薄膜太阳能电池包括基底材料、正负电极以及Cr3+掺杂PZT薄膜；所述Cr3+掺杂PZT薄膜设于正负电极之间；所述Cr3+掺杂PZT薄膜中，Cr3+的摩尔百分比为2%～10%。
2.根据权利要求1所述铁电薄膜太阳能电池，其特征在于：所述Cr3+掺杂PZT薄膜的厚度为400 nm。
3.根据权利要求1所述铁电薄膜太阳能电池，其特征在于：所述基底材料为透明玻璃或者Pt/Si基底。
4.根据权利要求3所述铁电薄膜太阳能电池，其特征在于：所述基底材料为钠钙基透明玻璃或硅硼基透明玻璃。
5.根据权利要求1所述铁电薄膜太阳能电池，其特征在于：所述电极为ITO透明电极。
6.根据权利要求1所述铁电薄膜太阳能电池，其特征在于：所述Cr3+掺杂PZT薄膜中，Cr3+的摩尔百分比为5%。
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Citations (3)
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| KR20110012314A (ko) * | 2009-07-30 | 2011-02-09 | 엘지전자 주식회사 | 박막 태양전지 및 그의 제조방법 |
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| CN104835880A (zh) * | 2015-05-29 | 2015-08-12 | 常熟苏大低碳应用技术研究院有限公司 | Cr3+掺杂PZT薄膜在制备铁电薄膜太阳能电池中的应用 |
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2015
- 2015-06-08 CN CN201510308507.8A patent/CN104992992A/zh active Pending
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